ساخت آنتن از «هیچ»؛ پرتو لیزری که هوای خالی را به فرستنده رادیویی تبدیل می‌کند
پژوهشگران با یک پرتو لیزر بنفش، بخشی از هوای آزاد را به پلاسمای رسانا تبدیل کردند تا موج رادیویی را به اطراف بفرستند.
به آنتن‌هایی فکر کنید که هر روز از کنارشان می‌گذرید، مثل میله‌ی باریک روی سقف خودرو، دکل‌های بلند پشت‌بام‌ها یا بشقاب‌هایی که رو به آسمان چرخیده‌اند. همه‌شان یک وجه مشترک دارند؛ از فلز ساخته شده‌اند، طبیعتاً وزن دارند و جایی را اشغال می‌کنند.
به گزارش زومیت، حالا آنتنی را تصور کنید که با فشار یک دکمه و روشن‌شدن لیزر در هوا شکل می‌گیرد، سیگنال رادیویی می‌فرستد و لحظه‌ای بعد بی‌هیچ ردی ناپدید می‌شود. ماجرا کمی متناقض به نظر می‌رسد، چون هوا یکی از بهترین عایق‌های اطراف ماست و به همین دلیل فاصله‌ی هوایی میان سیم‌های فشارقوی می‌تواند جلوی عبور جریان را بگیرد. اما اگر انرژی کافی به هوا برسد، وضعیت تغییر می‌کند.
بخشی از الکترون‌های مولکول‌های هوا جدا می‌شوند و مخلوطی از یون‌ها و الکترون‌های آزاد به وجود می‌آید که پلاسما نام دارد. پلاسما می‌تواند رفتاری بسیار متفاوت از هوای معمولی داشته باشد و تا حدی مانند یک رسانا عمل کند.
این خط بنفش فقط نور لیزر نیست. لیزر، هوای مسیر خود را یونیزه کرده و رشته‌ای از پلاسما ساخته است؛ رشته‌ای که پژوهشگران از آن برای فرستادن سیگنال رادیویی ۳۰ مگاهرتز استفاده کردند
پژوهشگران NC State دقیقاً از همین ویژگی استفاده کردند و با یک لیزر فوق‌العاده پرقدرت، رشته‌ای باریک از پلاسما در هوا ساختند. سپس آزمایش کردند که آیا می‌توان سیگنال رادیویی را روی این رشته به حرکت درآورد و از آن به اطراف تاباند. داستان از خطی بنفش در تاریکی آزمایشگاه شروع می‌شود.
شمشیر نوری در تاریکی؛ وقتی هوا رسانا می‌شود
روی میزی در تاریکی آزمایشگاه، خطی باریک و بنفش در هوا به چشم می‌خورد؛ چنان صاف و درخشان که پریا دارشنی، پژوهشگر اصلی پروژه، ظاهرش را به شمشیر نوری جنگ ستارگان تشبیه می‌کند.
شاید در نگاه اول تصور کنید خود پرتو لیزر را می‌بینید، اما چنین نیست. لیزر آزمایش طول‌موجی در حدود ۸۰۰ نانومتر دارد و بخش زیادی از نور آن در محدوده‌ای قرار می‌گیرد که چشم انسان به‌سختی می‌بیند. درخشش بنفش از خود هوا می‌آید.
پالس بسیار شدید لیزر از میان هوا عبور می‌کند و به مولکول‌های آن انرژی می‌دهد. بخشی از مولکول‌ها برانگیخته می‌شوند و هنگام بازگشت به حالت قبلی، نور آبی‌بنفش آزاد می‌کنند. شدت لیزر آن‌قدر زیاد است که الکترون‌های تعدادی از مولکول‌های هوا را جدا می‌کند. در مسیر پرتو، رشته‌ای بسیار باریک از پلاسما شکل می‌گیرد.
لیزر رشته‌ای باریک از پلاسما در هوا می‌سازد. قطعه‌ی تغذیه‌ی الکترومغناطیسی سیگنال رادیویی را بدون تماس مستقیم به رشته منتقل می‌کند و رشته امواج الکترومغناطیسی می‌تاباند
شاید فکر کنید پلاسما باید چیز عجیبی باشد، اما نمونه‌هایش را بارها دیده‌ایم. نور داخل لامپ‌های نئون، جرقه‌ی برق و آذرخش همگی با گاز یونیزه‌شده ارتباط دارند. تفاوت آزمایش جدید در شکل پلاسماست. لیزر به‌جای روشن‌کردن گاز درون یک محفظه، رشته‌ای بسیار باریک و کشیده را مستقیم در هوای آزاد می‌سازد.
پالس‌های فوق‌العاده شدید نور، الکترون‌ها را جدا کرده و رشته‌ای باریک از پلاسما می‌سازند
پژوهشگران یک سیگنال رادیویی ۳۰ مگاهرتزی را به وسیله‌ی قطعه‌ای فلزی در نزدیکی رشته به آن منتقل کردند و یک گیرنده را حدود پنج سانتی‌متر دورتر قرار دادند. سپس آزمایش را در دو حالت مقایسه کردند.
وقتی لیزر خاموش بود و رشته‌ی پلاسما وجود نداشت، گیرنده سیگنال ضعیفی ثبت می‌کرد. با روشن‌شدن لیزر و تشکیل رشته، قدرت سیگنال ثبت‌شده به حدود ۲٫۵ برابر رسید. بله، رشته‌ای از هوای یونیزه نقش آنتن را بازی کرده بود.
در آزمایش، روشن‌شدن رشته‌ی پلاسما قدرت سیگنال دریافتی را ۲٫۵ برابر کرد. گیرنده تنها حدود پنج سانتی‌متر فاصله داشت و در میدان نزدیک بود.
نتیجه‌ی کار پژوهشگران سپتامبر ۲۰۲۶ در ژورنال IEEE Journal of Microwaves منتشر شد و نویسندگانش آن را نخستین نمایش آنتنی از جنس «رشته‌ی پلاسمای القاشده با لیزر» می‌دانند. فاصله‌ی پنج‌سانتیمتری میان فرستنده و گیرنده نشان می‌دهد که آزمایش هنوز در مراحل ابتدایی قرار دارد و هنوز راهی طولانی در پیش دارد تا به فضا فرستاده شود.
اما آزمایش پرسشی اساسی را از حالت فرضیه خارج کرد. آیا می‌توان به‌جای یک میله‌ی فلزی، بخش اصلی یک آنتن را از هوا ساخت؟
چالش ناسا؛ چرا فضا به آنتن‌های شبح‌گون نیاز دارد؟
ایده‌ی آنتن لیزری از دغدغه‌ای فضایی متولد شد. پریا دارشنی پیش‌ازاین پروژه چند دوره در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) کار کرده بود و در طراحی آنتن ردیاب یکی از ماموریت‌های بازگشت نمونه از مریخ مشارکت داشت.
در همان سال‌ها ذهنش درگیر برخی سامانه‌های راداری روی ماهواره‌های کوچک شد که برای کار در فرکانس‌های پایین به آنتن‌هایی بلند و قابل‌تنظیم نیاز دارند. دلیل بلندبودن آنتن به رابطه‌ای ساده در فیزیک امواج برمی‌گردد.
فرکانس‌های پایین به آنتن‌های چندمتری نیاز دارند؛ کابوسی بزرگ برای وزن و ابعاد ماهواره‌ها
طول آنتن به طول‌موجی بستگی دارد که می‌فرستد یا دریافت می‌کند. فرکانس پایین‌تر یعنی موج بلندتر و آنتن بلندتر. مثلاً موج ۳۰ مگاهرتزی حدود ۱۰ متر طول دارد و آنتن کلاسیکش به چند متر می‌رسد.
ماهواره‌ای کوچک چنین میله‌ای را هنگام پرتاب به‌صورت جمع‌شده با خود می‌برد و در مدار باز می‌کند؛ کاری که لولا، فنر و سازوکار بازشونده می‌خواهد و هر کدام از این اجزا هم وزنی اضافه می‌کنند و هم احتمال خرابی را بالا می‌برند. تغییر طول آنتن برای پوشش چند فرکانس هم دردسر را دوچندان می‌کند.
پژوهشگران پرسیدند اگر بخش اصلی آنتن به‌جای جسمی جامد از هوا ساخته شود و هر وقت لازم شد، با هر طولی پدید آید، چه می‌شود؟ در این ایده، لیزر رشته‌ای از پلاسما می‌سازد که همان نقشی را بر عهده می‌گیرد که در آنتن معمولی بر عهده‌ی سیم یا میله‌ی فلزی است.
پل فرانزون، استاد مهندسی برق و رایانه‌ی NC State و استاد راهنمای دارشنی، از چشم‌انداز آنتنی سفارشی حرف می‌زند که از سازوکارهای پیچیده‌ی بازشونده بی‌نیاز می‌شود.
رقابت ۵۰ گیگاواتی نیروها؛ خلق کانالی باریک‌تر از تار مو
پژوهشگران برای ساختن رشته‌ی باریک پلاسما، به لیزری نیاز داشتند که در زمانی بسیار کوتاه شدت بسیار بالایی تولید کند. گروه از یک تقویت‌کننده‌ی لیزری کمک گرفت که در هر ثانیه هزار پالس می‌فرستد. یک فمتوثانیه یعنی یک میلیونیمِ یک میلیاردیم ثانیه؛ بازه‌ای آن‌قدر کوتاه که در ذهنمان نمی‌گنجد.
هر پالس حدود پنج میلی‌ژول انرژی حمل می‌کند. این مقدار انرژی به‌خودی‌خود زیاد نیست، اما همه‌ی آن در زمانی فوق‌العاده کوتاه آزاد می‌شود. به همین دلیل توان لحظه‌ای پالس به حدود ۵۰ گیگاوات می‌رسد.
تاثیر هم‌زمان دو نیروی فیزیکی، کانالی از پلاسما باریک‌تر از تار موی انسان خلق می‌کند
پرتو پس از عبور از عدسی در هوا متمرکز می‌شود و از اینجا به بعد دو اثر مخالف هم‌زمان وارد عمل می‌شوند. شدت زیاد نور باعث می‌شود خود هوا مانند عدسی‌ای نامرئی پرتو را جمع‌تر کند. هرچه پرتو باریک‌تر شود، شدت نور لیزر افزایش می‌یابد.
در نقطه‌ای، شدت به‌اندازه‌ای بالا می‌رود که بعضی مولکول‌های هوا الکترون از دست می‌دهند و پلاسما شکل می‌گیرد. پلاسمای تازه‌تشکیل‌شده اثر معکوس دارد و تمایل دارد پرتو را از هم باز کند. در نتیجه، دو نیرو با هم رقابت می‌کنند؛ هوای اطراف پرتو را متمرکزتر می‌کند و پلاسمای داخل مسیر می‌کوشد آن را پخش کند.
توازن میان دو اثر، کانالی بلند و باریک می‌سازد که فیزیک‌دان‌ها آن را رشته (filament) می‌نامند. رشته‌ی آزمایش NC State حدود ۲۰ سانتی‌متر طول و یک‌دهم میلی‌متر قطر داشت؛ باریک‌تر از تار موی انسان. نکته‌ی مهم اینکه در این مرحله چینش بارها اهمیت دارد، نه نور درخشان و بنفش.
میدان نیرومند نور، الکترون‌های سبک را به لبه‌های رشته می‌راند و یون‌های سنگین‌تر در مرکز می‌مانند. الکترون‌ها روی پوسته‌ی رشته جمع می‌شوند و به همین دلیل رشته شبیه رسانایی بسیار ضعیف عمل می‌کند. پژوهشگران می‌نویسند رشته همه‌ی اجزا و ویژگی‌های لازم برای کار به‌عنوان آنتن را دارد.
وقتی میدان الکتریکی یک سیگنال رادیویی به رشته برسد، این الکترون‌ها شروع به حرکت و نوسان می‌کنند. همین حرکت بار الکتریکی، شرط اصلی برای ایجاد جریان و تابش موج رادیویی است.
توان لحظه‌ای لیزر، الکترون‌ها را به لبه‌های این رشته باریک می‌راند
تا اینجا می‌دانیم که لیزر، رشته‌ای از پلاسما می‌سازد و پلاسما هم الکترون‌های آزاد دارد. اما چرا سیگنال ۳۰ مگاهرتزی می‌تواند روی چنین رشته‌ای حرکت کند؟ به‌خاطر تعداد الکترون‌های آزاد.
الکترون‌های پلاسما می‌توانند در پاسخ به یک میدان الکتریکی حرکت کنند. هرچه تعدادشان بیشتر باشد، پلاسما بهتر می‌تواند به تغییرات سریع میدان واکنش نشان دهد، به همین دلیل فیزیک‌دان‌ها این پدیده را با کمیت فرکانس پلاسما توصیف می‌کنند. فرکانس طبیعی رشته به حدود یک تراهرتز می‌رسد، ده‌ها هزار برابر بالاتر از ۳۰ مگاهرتز.
موجی با فرکانس بسیار پایین‌تر، پلاسما را مانند دیواره‌ای فلزی می‌بیند، در امتداد سطحش سُر می‌خورد و سرانجام به فضای اطراف تابیده می‌شود. البته رسانایی رشته را نمی‌توانیم با رسانایی مس مقایسه کنیم. رشته رفتاری فلزگونه نشان می‌دهد، ولی با رسانایی‌ای بسیار ضعیف‌تر.
وظیفه‌ی لیزر در این میان فقط ساختن رساناست. سیگنال رادیویی از دستگاهی جداگانه می‌آید و رساندنش به رشته، چالش بعدی گروه بود.